서울대학교 재료공학부 (남기태 교수), 포항공과대학교 (노준석 교수, 김욱성 교수), LG디스플레이 연구소(장기석 책임)로 구성된 공동연구팀은, 펩타이드를 이용하여 생체분자만의 고유 기하구조로 여겨졌던 거울상 대칭구조를 금 나노 입자에서 구현했다. 연구진은 펩타이드와 금 특정 표면의 상호작용에 대한 이해를 바탕으로, 시계방향으로 뒤틀린, 반시계방향으로 뒤틀린 독특한 거울상 대칭 구조가 구현된 100 nm 크기의 균일한 금 나노 입자를 합성하고 그 원리를 규명하여 이 분야에 새로운 패러다임을 제시 하였다.
이 연구 결과는 중요성을 인정받아 2018년 4월 19일 세계 최고 권위의 학술지 ‘네이처(Nature)’에 게재됐고 표지논문으로도 선정되었다. 또한 영향력이 큰 연구결과를 선정해 관련 분야 세계적인 과학자가 자세하게 논문의 의미와 가치 등을 설명하는 'News & Views' 섹션에도 소개 되었다.
오른손과 왼손의 입체 구조는 동일해 보이지만, 왼손용 야구 글러브를 오른손에 착용할 수는 없다. 이처럼 서로 거울 대칭상이지만 겹쳐지지 않는 특성을 ‘거울상 이성질’ 또는 ‘카이랄성’이라고 한다. 단백질의 기본 구조인 아미노산을 포함, 생명 현상에 관여하는 모든 분자는 카이랄 구조이다. 카이랄 구조 재료는 독특한 기하 구조에서 비롯되는 구조 선택성 및 광 제어 특성을 지니고 있어, 촉매 재료·광학 재료·센싱 플랫폼 개발을 포함 광범위한 분야에서 차세대 핵심 재료로 주목받고 있다. 그러나 무기 재료에서의 카이랄 구조 제작 및 제어는 공정의 복잡성 및 재료 안정성 등의 측면에서 문제점이 많아 난제로 여겨져 왔다.
연구팀은 문제 해결을 위한 돌파구로 거울상 구조를 포함하는 생체 분자 펩타이드를 무기 결정 합성에 이용, 독특한 기하 구조의 금 나노입자를 구현해 냈다. 연구팀이 개발한 입자는 한 변이 약 100 nm 인 정육면체의 각 면에 시계 또는 반시계 방향으로 뒤틀린 구조체가 존재하는 새로운 기하구조 형태의 나노 입자이다. 연구팀은 회전하는 빛에 대한 반응성 측정을 통해 이 나노입자가 거대한 카이랄성을 지닌구조(생체 분자 단백질의 약 100배)임을 입증했다. 또한, 이 나노입자의 거대 카이랄성이 가시광 영역대에 존재한다는 사실에 주목, 카이랄 구조 고유의 편광 제어 특성을 이용하는 광학 실험을 통해 다양한 색채를 구현하는 데에도 성공했다.
연구팀은 이번 연구를 통해 펩타이드 서열과 그에 따른 구조 및 카이랄성이 그대로 무기 재료 표면에 반영될 수 있음을 최초로 발견함으로써, 생체 분자를 이용한 재료 합성의 새로운 패러다임을 열었다. 또한, 연구팀이 개발한 합성법은 다양한 재료로의 확장 및 일반화가 용이함에 따라, 나노 재료 합성 분야의 원천 기술을 확보했다는 점에서도 큰 의미가 있다. 현재 국내 및 해외 특허 출원이 완료된 상태이다.
이번 연구는 공동 제1저자인 이혜은 박사와 안효용(서울대)을 비롯, 문정호(포항공대), 김민경(포항공대), 이윤영(서울대), 조남헌(서울대) 공저자 들이 모두 국내 박사과정 중에 수행한 연구다.
소재 기술의 미래를 선도할 창의적 재료 합성법을 제시한 본 연구는 과학기술정보통신부 미래소재 디스커버리 사업 “d-오비탈 제어 소재 연구단”(단장 남기태), 글로벌프론티어사업의 멀티스케일에너지시스템연구단(단장 최만수)과 파동에너지극한제어연구단(단장 이학주), 선도연구사업 광기계기술연구센터 (단장 강신일) 등의 지원을 받아 수행되었다.
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